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基迪奥客户通过scRNA-seq+TCR揭示中国百岁老人的长寿密码

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发表于 2022.11.19 14:24:50 | 显示全部楼层 |阅读模式
国民寿命是衡量一个国家发展水平与政府治理效率的重要指标,但寿命延长可能伴随肿瘤、神经退行性疾病等年龄相关疾病发生率的急剧增加,势必为个人、家庭与社会带来沉重的负担。百岁老人是长寿人群的典范,在增龄过程中该人群不仅具有或发展出对肿瘤、神经退行性变疾病、感染等独特的规避机制,而且其在生命周期中拥有整体健康的时间比例也显著高于普通人。因此,多维度阐明百岁老人长寿机制无疑将为研发主动健康干预手段提供广阔的思路,从而有望提升国民寿命并促进普通人的健康水平。所以本文以百岁老人对研究对象探讨了长寿相关的整体免疫特征和功能机制。在该项目中基迪奥提供了scRNA-seq和TCR的测序服务。

  • 中文标题:scRNA-seq+TCR揭示百岁老人及其后代共享的长寿免疫重塑特征
  • 英文标题:Single-Cell Transcriptomics Reveals Longevity Immune Remodeling Features Shared by Centenarians and Their Offspring
  • 发表期刊:Advanced Science (IF=17.5213)
  • 发表时间:2022年11月
  • 合作单位:南通大学附属医院高建林和顾志峰团队

研究目的

百岁老人感染程度较轻,肿瘤发病率较低,是研究长寿的最佳模型。然而,由于缺乏适当的对照,与长寿相关的免疫特征尚未完全揭示。所以本文通过scRNA-seq、TCR测序和流式细胞术,探索长寿相关的整体免疫特征和功能机制,特别是百岁老人(CEN)和百岁子代(CO)共有的免疫特征。

测序样本

取7名百岁老人(CEN),6名百岁老人的后代(CO)和9名百岁老人的后代配偶或邻居(Control,与CO年龄匹配)的PBMC进行scRNA-seq和TCR测序。同时还有前人研究的年轻和衰老的单细胞数据。


文章框架


研究结果

1. scRNA-seq揭示长寿人群PBMC细胞图谱

对所有的PBMC样品进行细胞聚类和鉴定,鉴定了5大类细胞类型,如图1A所示。由于在衰老过程中T细胞在免疫衰老中发挥着重要作用,所以作者分析了各样品中的细胞比例,结果发现T细胞在所有PBMC中占比最高,而且在百岁老人组(CEN)的样品中占比也是最高(图1B)。为了研究与长寿相关的CD4 T和CD8 T免疫细胞亚型的变化,作者对T细胞进行进一步的分群分析,结果获得了T细胞的12个亚型(图1D)。

图1 scRNA-seq分析所有样品的PBMC细胞图谱

2. T细胞亚型分析揭示长寿的遗传标志

对CEN组和对照组中T细胞的各亚群频率进行配对比较分析,结果发现GZMB+ CD8 T,CMC1+CD8 T等在CEN中富集;相反的,CD4 naïve,CD8 naïve等在对照组中富集(图2A)。同时与年龄匹配的对照样本相比,CO个体表现出与CEN相同的趋势(图2B)。接着,作者研究了CEN中显著富集或缺失亚群的共同特征,结果显示富集亚群在CEN中具有细胞毒性功能的高表达基因,即定义为细胞毒性表型簇(CPC),在CEN中缺失的亚群高表达naïve标志物,即定义为naïve表型簇(NPC)(图2C)。比对三组的CPC和NPC的整体比例可以明显的看到,与Control相比,CPC在CEN和CO中显著增加,而NPC则显著减少(图2D)。通过流式细胞术证实了上述的结果(图2E)。综上分析结果表明与年龄匹配的对照组相比,CPC的增加和NPC的减少是长寿的遗传标志。

图2 CEN和CO中T细胞亚型富集或缺失的特征

3. T细胞表现出与长寿和衰老相关的特异性浸润特征

CEN组个体年龄相对对照组较大,所以作者想知道哪些免疫因素可能与长寿相关。所以作者使用前人发表的数据研究了长寿和衰老在T细胞浸润方面的差异。通过对衰老数据注释了9个T细胞亚型,其中8个亚型也在本研究中出现(图3A)。同时下载年轻样品的单细胞数据,统计分析显示老年和年轻样品之间的T细胞浸润有显著差异(图3B,C)。所以老年人CD4和CD8 T细胞在衰老过程中的变化似乎与长寿人群(CEN)相反。通过对长寿和对照、长寿子代和对照、衰老组和年轻组的T细胞亚群频率进行比较,结果发现了长寿和衰老相关的特异性浸润特征,即CD8 GZMK+细胞在衰老组中显著聚集,而在长寿组中没有,但是长寿组中GZMB+和CMC1+CD8 T细胞显著增加,衰老组没有。

图3 长寿与衰老的免疫细胞丰度分布特点

4. CEN和CO的CPC亚群更有利于免疫稳态构建

接下来作者关注与长寿相关的细胞亚型特异性基因标签。首先对CPC或NPC细胞亚群在CEN vs Control和CO vs Control中进行组间差异分析。对于CPC亚群,DEGs分析显示CMC1+CD8 T细胞具有最显著的长寿相关变化,其次是GZMK+CD8 T细胞(图4A)。综合CPC亚群的CEN vs Control和CO vs Control的DEGs结果发现CEN和CO共有近40%的DEGs(图4B)。对CEN和CO中失调基因进行了富集分析发现CEN和CO共同下调基因富集在凋亡、TNF信号通路(图4C),共同上调基因在T细胞功能稳态相关的通路富集(图4D)。对于NPC亚群,CD74+CD4 T和CD4 Tcm与寿命最相关(图4E,F),由CEN和CO共同下调基因富集在TNF信号等通路(图4G),共同上调的基因在免疫应答过程相关的通路富集(图4H)。综上结果表明,逆转免疫衰老和炎症的能力,以及免疫防御和内稳态的增强可能驱动百岁老人的健康衰老。

基于衰老图谱数据库中的衰老相关基因集,作者计算了CEN、CO和Control样本的衰老基因集评分,在CEN和CO中,许多衰老相关的信号通路显著降低。这些数据说明长寿人群保持着“更年轻”的免疫状态。

图4 CPC和NPC细胞的组间差异分析、富集分析及基因集打分

5. 转录因子调控CEN和CO免疫稳态构建

由于T细胞分化和功能的调节很大程度上是由TFs活性来调节的,所以作者通过SCENIC研究了CPC或NPC亚群中特异性TF-靶基因模块的调控活性及调控网络。在CPC亚群中鉴定出26个高可信TFs,CEN和CO中的长寿相关TF的调控活性存在显著差异,Control中活性显著较高,表明Control组处于衰老状态(图5B)。TF-靶基因调控网络分析显示,这些TFs之间有一些共同的靶基因(图5D),这些靶基因与T细胞功能障碍、免疫稳态等密切相关。

对于NPC亚群确定了26个高可信的TFs,在CEN和CO中显示出与Control相比显著不同的调节活性(图5E),CD74+CD4 T细胞表现出较高的MAFB调节蛋白活性(图5E,G),在CEN和CO中也表现出较高的活性(图5F),FOXO3在MALAT1+CD4 T细胞中具有相对较高的活性(图5G)),CEN和CO组的FOXO3活性显著低于对照组(图5F)。此外,MAFB和FOXO3都靶向JARID2和ECE1(图5H),而它们在维持细胞稳态和抵抗其他疾病中发挥重要的调节作用。

图5 长寿的TFs调控分析

6. CEN和CO共有TCR的克隆型扩增

随着年龄的增长,naïve T细胞的TCR多样性、克隆扩增以及整个记忆T细胞库的丰富度都变得有限和减少,但老年人仍然可以拥有多样化的TCR库。作者首先重点关注TCR谱中与长寿相关的改变及其在所有样本中的重叠(图6A)。与Control个体相比,CEN的TCR多样性显著下降,CO也呈现出类似的下降趋势(图6B)。通过TCRdb中描述的Shannon's熵计算每个样本的TCR单克隆性,结果显示CEN和CO个体的TCR单克隆性显著高于Control(图6B)。接下来分析了TCR克隆类型,观察到top10 TCR克隆型主要分布在CPC中(图6C),CPC中的克隆扩增高于NPC,还观察到NPC的TCR多样性高于CPC(图6D)。随后还研究了两个簇的TCR单克隆性,CPC的克隆扩增指数主要高于NPC(图6E)。接着还研究了CDR3序列在3个比较组CPC亚群中的长度分布,结果显示CEN样本的CMC1+CD8 T细胞的序列长度为13个AA,Control为14个AA(图6F)。最后还研究了V和J基因在3个比较组的分布,结果发现在CEN和CO中TRBV24-1的频率均显著高于对照组,而TRBV6-2则表现出相反的趋势(图6G),这表明它们在长寿和衰老中的潜在作用。

图6 TCR的长寿特征分析

研究结论

通过以上分析发现我国百岁老人PBMC中细胞毒性T细胞显著增多,功能增强,TCR克隆扩增能力增强,具有极强的维持机体免疫稳态的能力。同时发现这样的免疫学特征在百岁老人及百岁子代共有,更加说明了此特征的长寿倾向性及可遗传性。综上所述,本研究揭示了一种免疫重塑模式,反映在Tc细胞数量的增加和功能的增强,这对长寿至关重要。

*未经许可,不得以任何方式复制或抄袭本篇文章之部分或全部内容。版权所有,侵权必究。

本文作者:基迪奥-Jusser


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请问图中的箱线图和热图是用基迪奥工具绘制的吗?
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